1.8 Фундаментальные основы управления структурой композитных наноматериалов для оптимизации их физических свойств

Целью проекта являлись следующие работы: 1. Изучение стабильности окисного слоя сертифицированных медицинских изделий, а именно, дентальных имплантатов различных систем. 2. Проведение работ по исследованию фотофизических и нелинейно оптических свойств мультихромофорных систем на основе BODIPY и фотофизических процессов в супрамолекулярных комплексах на основе ПАУ и циклодекстринов, их агрегатов и микрокристаллов. 3. Изучение строения, фазового состава, кристаллической структуры, магнитных и электронных свойств наноразмерных материалов на основе различных соединений, в том числе железосодержащих. 4. Разработка методики получения эпитаксиальных пленок высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3O7 ориентации (001), свободных от границ двойникования. Рентгено-дифракционное исследование кристаллографического совершенства таких пленок. 5. Исследование изменения параметров электрического переключения монокристалла сегнетовой соли во внешнем магнитном поле. 6. Разработка подхода к лазерному формированию двухмерных микростуктур для квазисинхронной генерации второй гармоники в фотонно-кристаллических структурах на основе йодноватой кислоты. 7. Систематическое и сравнительное исследование физических характеристик, морфологии, лекарственной емкости и цитотоксичности трех различных типов наночастиц: CaP, HNP и CSNP. В 2023 году решались следующие основные задачи: 1. — Исследования структурными методами топографии поверхности дентальных имплантатов, их состава, также обработки поверхности дентальных имплантатов разными способами с поверхностным нанесением различных структур. 2. — Исследования рентгеновскими методами возможности эмиссии наноразмерных частиц с поверхностей дентальных имплантатов с образованием комплексов частиц в костном ложе и окружающих его мягких тканях. 3. — Исследования способности к миграции наноразмерных металлических частиц с возможным участием в образовании патологических структур, в частности, в формировании желчных камней. 4. — Исследования возможности измерения концентрации кислорода в воздухе, используя время жизни фосфоресценции при комнатной температуре тройных комплексов нафталин – β-циклодекстрин – циклогексан. 5. — Проведение теоретических исследований поведения молекул 1,3,5,7-тетраметил BODIPY (mono-TMB) и его диады (di-TMB) в различных растворителях. 6. — Проведение исследований фотофизических свойств мультихромо-форной молекулы, содержащей три хромофора styrylBODIPY. 7. — Исследования механизма превращения ферроцена Fe(C5H5)2 в нанокомпозиты типа ядро@оболочка при высоком давлении (8 ГПа) и высокой температуре (900 °C) и изотермической выдержке до 10000 секунд в камере высокого давления 8. — Определение параметров сверхтонкого взаимодействия ядер Fe57 в o-Fe7C3 в широком диапазоне температур 10 -300К. 9. — Получение совершенных в структурном отношении эпитаксиальных пленок высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3O7-x ориентации (001) с наклоном в 15° в сторону направления [100] и проведение их рентгеновской характеризации 10. — Получение частотных зависимостей переключения модельного одноосного сегнетоэлектрика триглицинсульфата и определение характера изменения коэрцитивного поля - наиболее важного параметра в применениях сегнетоэлектриков. 11. — Исследование подходов, связанных с лазерным формированием микроструктур абляционным методом в пленочных полимерных материалах и лазерным методом формирования трехмерных структур, основанных на использовании эффекта двухфотонной полимеризации. 12. — Сравнение петидных систем доставки лекарственных средств основанных на использовании гибридных наночастиц фосфата кальция и хитозана с несмешанными наночастицами фосфата кальция или хитозана in vitro и in vivo. Объекты исследования В качестве объектов исследования были использованы: мягкотканные биоптаты тканей в пришеечной области дентальных имплантатов, с целью идентификации импрегнированных наноразмерных и микроразмерных частиц в структуре патологических тканей; системы дентальных имплантатов: «Alfa Gate» (Alfa Gate Mazen Ltd., Kfar Qari, Israel), «Nobel Replace» (Danaher Corporation, Washington, DC, USA), «Sky» (Bredent medical GmbH & Co. KG Weissenhorner Str. 2 89250 Senden Germany), «Straumann» (Straumann Holding AG Peter Merian-Weg 12 4002 Basel Switzerland), «NeoBioTech» (10F, E-space Bldg., 36, Digital-ro 27 gil, Guro-gu, Seoul, 08381, Republic of Korea), «AlphaBio» (Alpha-Bio Tec Ltd., 4 Hatnufa St. Kirtay Arye, Petach Tikva, 4951022, Israel), «Astra Tech» (part of Dentsply Sirona – USA, Austria); новый хемосенсорный материал на основе комплекса нафталин – β-циклодекстрин – циклогексан; пленочные полимерные материалы (лавсан) и на фотоотверждаемые полимер-керамические материалы (Femtobond); наноразмерные частицы: CaP, HNP и CSNP Методы исследования и аппаратура: Для проведения исследований использовались методы: метод рентгеновской дифракции, метод электронной дифракции, метод рентгеновской микротомографии (РМТ), метод рентгенофлуоресцентного анализа (РФА), метод растровой электронной микроскопии (РЭМ), метод просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), метод энергодисперсионного анализа (ЭД), метод ионного травления, метод рамановской спектроскопии (комбинационное рассеяние света), метод мёссбауэровской спектроскопии на ядрах Fe57, метод температурных и полевых измерений намагниченности. Измерения проводиись на таких приборах, как лабораторный микротомограф «ТОМАС», высокоразрешающий рентгеновский спектрометр X-123SDD (Amptek, США), растровый микроскоп Scios Dual Beam (ThermoFisher Scientific, USA), установка ионного травления поверхности Hitachi IM4000plus, просвечивающий электронный микроскоп Osiris, спектрофлуориметр «FluoTime 300» (PicoQuant, Германия), оптоволоконный зонд (OceanInsight R400-7-UV/VIS), четырехкружный рентгеновский дифрактометр (Philips X’Pert), твердотельный лазер с полупроводниковой накачкой TECH-527 («Лазер-экспорт», Россия), лазер FL-300 («Оптосистемы», Россия). Полученные результаты: 1. Методами рентгеновской микротомографии и рентгенофлуоресцентного анализа подтверждена эмиссия наноразмерных металлических частиц с поверхности окисного слоя сертифицированных медицинских изделий. 2. Проанализирован элементный состав дентальных имплантатов, нано- и микрочастиц. 3. Показано, что покрытия имплантатов не исключают выхода частиц с внутренней структуры самого медицинского изделия. 4. Впервые методами рентгенофлуоресцентного анализа и электронной микроскопии с элементным картированием были обнаружены наночастицы титана в составе желчных камней. 5. Сделан вывод о накопительном эффекте металлических нано- и микрочастиц в мягкотканных участках костного ложа, что указывает на повышение вероятности возникновения персонифицированных воспалительных осложнений. 6. Предложен новый хемосенсорный материал на основе комплекса нафталин – β-циклодекстрин – циклогексан и изучен макет датчика кислорода на его основе. 7. Показано, что молекулы mono-TMB склонны к образованию димеров. Рассмотрены различные конформации di-TMB. Полученные теоретические значения энергий переходов S0→S1 молекул mono-TMB и di-TMB слабо зависят от природы растворителей и хорошо согласуются с экспериментальными данными. 8. Выявлено наличие у мультихромофорной молекулы, содержащей три хромофора styrylBODIPY, нескольких конформаций и образовании внутримолекулярных димеров и агрегатов. Полученные результаты открывают возможности оптимизации сечения двухфотонного поглощения в мультихромофорных системах на основе флуорофоров данного класса. 9. Путем теоретических расчетов показано наличие незначительного сольватохромного эффекта у красителей данного класса. Для диады, выявлены 3 энергетически близкие конфигурации, которые, по-видимому, могут наблюдаться в эксперименте. 10. Установлено, что при обработке ферроцена высоким давления и температурой образуются наночастицы карбида железа o-Fe7C3, покрытые оболочкой и внедренные в графитоподобную углеродную матрицу. Оболочка наночастиц состоит из аморфного углерода и оксидов железа с кубической кристаллической структурой типа шпинели. 11. Определены параметры сверхтонкого взаимодействия ядер Fe57 в o-Fe7C3 в широком диапазоне температур 10 -300К. Появление оксидов железа в оболочке наночастиц связано с самопроизвольным окислением частиц при контакте с атмосферным воздухом. Наноразмерный эффект Кирендалла приводит к образованию сферических полых наночастиц из оксида железа γ-Fe2O3/Fe3O4. 12. Впервые показано, что превращение ex situ (при контакте образцов с атмосферным воздухом) приводит к формированию дополнительной оболочки из НЧ оксидов железа, а также формированию полых суперпарамагнитных наносфер из оксида железа (наноразмерный эффект Киркендалла). 13. Предложен механизм окисления наночастиц карбида железа o-Fe7C3.Таким образом изучены морфология, фазовый состав, кристаллическая структура, магнитные и электронные свойства наноразмерных материалов на основе карбидов и оксидов железа и углерода. 14. Синтезированы совершенные в структурном отношении эпитаксиальные пленки высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3O7-x ориентации (001) с наклоном в 15° в сторону направления [100] на подложках SrLaGaO4 ориентации (100) с таким же наклоном. 15. Проведена всесторонняя рентгеновская характеризация полученных пленок сверхпроводника YBa2Cu3O7-x. В ходе такого исследования установлено, что данные пленки вырастают без двойников. 16. Обнаружено и исследовано изменение параметров электрического переключения монокристалла сегнетовой соли во внешнем магнитном поле. Модифицированная магнитным полем петля гистерезиса переключаемой поляризации свидетельствует о замедлении движения сегнетоэластических доменов. Эффект связан с магнитостимулированным усилением пиннинга доменных стенок. 17. Разработаны методы лазерного формирования периодических структур с использованием лазерной абляции и двухфотонной полимеризации. Созданные микроструктуры могут быть использованы для формирования двумерных матриц на основе йодноватой кислоты для применения в задачах преобразования инфракрасного лазерного излучения в видимый диапазон спектра. 18. Показаны преимущества гибридных наночастиц на основе неорганического ядра фосфата кальция, покрытого хитозаном в качестве наноносителя активного соединения, что может иметь важные последствия для разработки наносистем доставки для различных медицинских, ветеринарных и сельскохозяйственных применений.